1、第一篇 蛋白质化学,protein,茶学与生物系张 剑,第四节 蛋白质的结构与功能,蛋白质在机体中的重要作用,（一）一级结构与功能的关系,同源蛋白：在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白，同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性，这种相似性称序列同源性。如血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能，细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。,1.同源蛋白的种属特异性与生物进化,第四节 蛋白质结构与功能,不变残基：对所有已研究过的物种来说都是相同,可变残基：不同物种间有相当大的变化,（一）一级结构与功能的关系,以细胞色素C为例：细胞色素C广泛存在于真核生物细胞的线粒体中，是一种含有血红素辅基
2、的单链蛋白质。在生物氧化时，细胞色素C在呼吸链的电子传递系统中起传递电子的作用，使血红素上铁原子的价数发生变化。,1.同源蛋白的种属特异性与生物进化,第四节 蛋白质结构与功能,脊椎动物:l04个AA，分子量约13,000左右； 昆虫:108个AA； 植物:则有112个AA成，大都沿N端延伸。对不同生物的细胞色素C的一级结构分析表明,大约有28个氨基酸残基是各种生物共有的，其中包括第4和17位上两个Cys残基是细胞色素C与血红素辅基共价相连的位置；第70-80位上成串的不变氨基酸残基可能是细胞色素C与酶结合的部位。,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,不同有机体中细胞色素C中的
3、氨基酸顺序与人的差异,细胞色素C的AA序列差异可用于核对各物种间的分类学关系以及绘制系统树/进化树。,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异，可以研究不同物种间的亲源关系和进化关系。亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。,根据细胞色素C的顺序种属差异建立起来的进化树,2.一级结构变异与分子病,所谓分子病是指由于遗传基因突变导致蛋白分子中某些氨基酸残基被更换所造成的一种遗传病。 镰刀状细胞贫血病（sickle-cell anemia）是最早被认识的一种分子病，这种疾病在非洲的某些地区十分流行。病人的红细胞在氧气不足的情况下变形而呈镰刀状
4、，故由此得名。,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,2.一级结构变异与分子病,通过对血红蛋白分子的一级结构研究表明，病人的血红蛋白（HbS）与正常人的血红蛋白（HbA）相比，在574个氨基酸残基中只有2个氨基酸残基的差异。HbA和 HbS的-链是完全相同的，所不同只是-链上从N末端开始的第6位的氨基酸残基，在正常的HbA分子中是谷氨酸，而患者的HbS分子中为缬氨酸所代替。,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,2.一级结构变异与分子病,镰刀状细胞贫血病：HbA(正常人): Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHbS(患者): Val-
5、His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-链 1 2 3 4 5 6 7 8,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（极性） （非极性）,2.一级结构变异与分子病,原因是什么？Glu 和Val 分子的侧链在性质上有很大的不同。Glu 侧链带负电荷，而Val侧链是一个非极性基团，所以使得HbS分子表面的负电荷减少，这种变化使患者的血红蛋白容易发生聚集并形成杆状多聚体，这就是导致红细胞变形的原因。,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,在体内许多具有一定功能的蛋白质如酶蛋白、激素类蛋白等常以无活性的前体形式产生和贮存。在一定情况下，这些前体经特定蛋白酶
6、水解，切除部分肽段后，才转变成有活性的蛋白质。这一过程叫做蛋白质前体的激活。,3.一级结构与蛋白质前体的激活,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,例如：有功能的胰岛素含有51个氨基酸残基，由A、B两条链组成。但在胰岛细胞最初合成的是一个比胰岛素分子大一倍多的单链多肽，称前胰岛素原，它是胰岛素原的前体，而胰岛素原是有活性的胰岛素的前体。前胰岛素原比胰岛素原在N末端上多一段肽链，称信号肽（signal peptide），含有20个左右氨基酸残基，其中很多是疏水侧链残基。,3.一级结构与蛋白质前体的激活,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,许多蛋白质，如酶蛋白、激
7、素蛋白等，它们在体内常以无活性的前体存在，在一定情况下经体内的蛋白酶水解，切去部分肽段后，才变成有活性的蛋白质。,3.一级结构与蛋白质前体的激活,前体胰岛素（84 aa）,A链（21aa）,B链（30aa）,C链（33aa）,活性胰岛素,（一）一级结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,牛胰核糖核酸酶A（RNase）是由124个氨基酸残基组成的单链蛋白质，含有4个二硫键，并通过其它次级键使多肽链得以折叠成一个具有三维构象的、有催化能力的活性蛋白质。三维结构的形成对维持酶的活力是必不可少的。,例一,第四节 蛋白质结构与功能,当天然的RNase 在8molL-1尿素
8、存在下用-巯基乙醇处理后，分子内四个二硫键即被断裂，整个肽链呈伸展的无规则的线形状态，同时酶活性完全丧失。但是当用透析方法将尿素和巯基乙醇除去后，RNase活性又可完全恢复。研究表明，复性后的产物与天然RNase并无差别。所有正确配对的4个二硫键都获得重建。,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,例二,第四节 蛋白质结构与功能,肌红蛋白与血红蛋白的结构与功能,一、肌红蛋白的结构和功能,myoglobin，Mb,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,1.三维结构,（二）空间结构与功能
9、的关系,第四节 蛋白质结构与功能,2.辅基,卟啉,丙酸基,乙烯基,乙烯基,甲基,甲基,甲基,甲基,丙酸基,血红素,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,乙烯基,乙烯基,血红素,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,3.O2与Mb的结合,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,空间位阻,降低对CO的亲和力； 保护血红素免遭氧化；,固定血红素； 保护血红素免遭氧化； 为O2分子提供一个合适的结合部位。,多肽微环境,氧合过程中血红素铁原子的变化,氧
10、合过程中铁原子位移引发的构象改变,O2,F8 Histidine,空间排斥,Feme,EF,FG,4. Mb的氧结合曲线,氧合Mb,去氧Mb,氧合Mb与去氧Mb的浓度比与氧浓度成正比,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,5. 氧分数饱和度（fractional satuation ）,肌红蛋白分子总数,氧合肌红蛋白分子数,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,Y,Mb氧结合/解离曲线,Y=1 Mb被氧完全饱和 Y=0.5 p(O2)=K=P50=0.27kPa P50 ：Mb被氧半饱和时的氧分压,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,二、血红蛋
11、白的结构和功能,1、结构：1 、2、1、2亚基,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,hemoglobin，Hb,卟啉铁,肌红蛋白 血红蛋白 血红蛋白,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,脱氧血红蛋白 氧合血红蛋白 对氧的亲和力低 对氧的亲和力高,2.氧结合引起的Hb的构象变化,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,变构,(1)氧合作用显著改变Hb的四级结构,装配接触,滑动接触,22 11,21 12,可变,氧合过程中血红素铁原子的变化,氧合过程中铁原子位移引发的构象改变,O2,F8 His
12、tidine,空间排斥,Feme,Fe2+移动时，拖动HisF8残基,并进而引起螺旋F和拐弯EF和FG的位移。这些移动传递到亚基的界面,引发构象的重调，导致四级结构的改变。（TR）,EF,FG,（2）血红素铁的微小移动导致Hb构象转换,（3）Hb的两种不同构象态,tense state,relaxed state,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,T 型血红蛋白肽链之间的8个盐桥 链C末端有Tyr-OH可与C=O形成氢键,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,2.Hb氧结合曲线,对于具有n个结合位点的蛋白
13、P：,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,Hb和Mb氧合曲线的比较,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,Hill 方程,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,nH = 1 非协同,nH 1 正协同,nH =n 完全协同,Hill系 数 与 配 体 的 结 合,3.Hb结合氧的调节,（1）H+、CO2促进O2的释放,碳酸酐酶,H+Hb氧合的拮抗物 pH降低时：促进氧的释放缓冲血液pH,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放,Bohr效应
14、,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,氧分数饱和度Y,CO2与Hb的结合,释放的H+有助于Bohr效应 氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态促进氧的释放,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,（2）BPG降低Hb对氧的亲和力,2，3 - 二磷酸甘油酸 Hb异促别构调节的效应物,Hb四聚体只有一个BPG结合部位 4个亚基缔合形成的中央空穴内,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,BPG,离子键稳定T态,（二）空间结构与功能的关系,第四节 蛋白质结构与功能,小 结,第四节 蛋白质结构与功能,蛋白质结构与功能之间的关系,结构是功能的基础，二者高度统一,一级结构与功能的关系：同源蛋白细胞色素C；蛋白酶原的激活；分子病镰刀型贫血 空间结构与功能的关系：Mb的结构与功能；Hb结构与功能；,
